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南方冻雨多发生在冬季和早春时期。由于冻雨发生地域性较强且是小概率事件,持续时间也多半不会太长,国内外对冻雨研究不多。然而,2008年初,受持续南下的强冷空气影响,我国南方地区出现了历史上少见的大范围、持续性冻雨天气,给南方地区造成了极严重的经济损失。严重的灾害事实说明,对冻雨的特点、成因和发生、发展机制进行深入研究,了解冻雨的云微物理特征,具有十分重要的意义。本论文借助于天气学、位涡观点以及中尺度数值模拟对此次过程进行了诊断和数值模拟分析,得出了一些有意义的结论。
天气学分析表明:500hPa欧亚地区中高纬呈西高东低阻塞形势,低纬南支低槽异常活跃,“北脊南槽”形势稳定,西太平洋副热带高压较历年同期明显偏强偏北,地面冷空气堆积明显,冷高压中心异常偏强,850hPa锋区强盛等是造成此次南方低温过程的异常环流背景。
过程期间冷暖空气在华南上空持续交绥,北方高层冷空气不断向下向南侵袭,而西南暖湿气流在向北输送的过程中沿着冷空气楔从南方低空向北向上爬升,形成了华南中低空特殊的逆温层结,华南冻雨区与呈向南开口的喇叭口状0℃等温线对应,为冻雨的出现奠定必要的温度层结和成云致雨条件。华南存在孟加拉湾和南海地区两支明显的水汽输送带,其中又以南海水汽输送最为重要,水汽供应充沛,且降雨(冻雨)强弱与水汽输送的强弱密切相关,为冻雨过程提供有利的水汽条件。高空200hPa南支槽稳定维持,槽前辐散气流有利于华南上升运动的发展、维持和高空西风急流加强,导致20~50° N构成了南面上升北面下沉的正热力环流,为大范围冻雨天气的出现提供必要的动力条件。
等熵位涡分析显示:这次低温冻雨天气事件第一阶段的强冷空气主要来自于新地岛以东洋面的平流层下部和对流层上部,第二到第四阶段除了新地岛以东洋面外,还有来自于北欧和拉普帖夫海、地中海的高位涡强冷空气补充。伴随着高层高位涡向南传播,高位涡气块在垂直方向强烈向下伸展、对流层顶动力异常,引起高位涡区气块旋转加强、正涡度增加及其前方低层正涡度的产生,而其后方,因绕高位涡中心气流沿等熵面下沉,地面高压迅速发展,低位涡气块则相反。过程期间,由于巴尔喀什湖高位涡中心和地中海高位涡主体(低涡)的存在和维持,孟加拉湾上空正相对涡度输送频繁,使得南支槽不断的生消,而乌拉尔山低位涡带(高脊)和贝加尔湖高位涡中心(低涡)由于低、高位涡空气的不断注入,发生一次次的替换和发展,在引导冷空气持续南下与孟加拉湾北上的暖湿气流长时间在华南上空汇合的同时,还导致地面西伯利亚高压反复增强并分裂小高压数次南下,地面强冷空气不断补充,最终造成了华南低温雨雪冰冻天气的长时间持续。
数值模拟结果表明:冻雨区上空主要以低空云水和雨水特别是云水的积聚为主,中高空有少量雪花和微量的冰晶,与非冻雨区相比,其过冷却水含量大,但却主要位于低空,且上空没有霰,雪花也明显偏少,这可能与冻雨区上空垂直运动偏弱和缺少成冰核有关;此外,通过对冻雨区上空水汽、温度、云微物理特征和风的分析还表明,此次南方冻雨成灾的重要原因,除了来自于高空雪花、冰晶经过0℃逆温层暖层融化为水滴后进入冷层成为过冷却水滴后降落到地面的冻雨外,还有雾凇和水汽的凝华附凇作用,正是由于雨凇和雾凇复合积冰共同作用,才最终导致这次严重的冻雨过程冻雨量不大,但灾害却异常严重的事实。